価数と軌道の揺らぎによる新奇量子状態の解明

2014 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 25707030
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 中辻 知 東京大学, 物性研究所, 准教授 (70362431)
• 研究期間 (年度): 2013-04-01 – 2016-03-31
• キーワード: 量子臨界現象 / 量子スピン軌道液体 / 価数揺らぎ / 軌道揺らぎ / 重い電子系超伝導 / 多極子秩序

研究実績の概要

従来のスピン自由度に注目した研究とは異なり、電子の持つスピン以外の自由度、特に、価数（電荷）、および、軌道という二つの自由度の揺らぎによる、強相関電子系の新奇な量子状態の解明を目指して、以下の研究を行ってきました。

まず、我々の開発した価数揺動系超伝導体beta-YbAlB4に注目し、その超純良単結晶を育成し、静水圧力下での電気抵抗の精密測定を行いました。その結果、常圧で見つかった量子臨界現象が圧力下で強靭に存在すること、さらに、0.4 GPaを超えるとフェルミ液体相が現れることが分かりました。さらに、圧力を増加させると2.5 GPa以上で反強磁性秩序が弱い一次転移を経て現れることが確認されました。また、電気抵抗の振る舞いは、幅広い領域において、従来の金属とは異なるT-linearの振る舞いをすることを確認しました。以上のことから、常圧での量子臨界性は、反強磁性量子相転移から大きく離れており、それゆえ、その起源は反強磁性スピン揺らぎによるものでないことが決定的になりました。また、その量子臨界性は一つの新しい量子相を作る質的に新しいものであることも明らかになってきました。

次に、軌道ゆらぎによる新しい量子臨界現象の探索の結果、我々が開発した多極子重い電子超伝導体PrV2Al20において、重い電子超伝導が現れる四極子秩序相近傍において、低温比熱の詳細な研究を行った結果、多極子秩序が２段転移を経て現れることを見出しました。さらに、比熱は最低温付近でべき乗則に従うことを明らかにしました。このことは、この系に特徴的な多極子と伝導電子の強い混成効果の結果として、多極子秩序のゴールドストーンモードが存在していることを強く示唆します。多極子秩序のゴールドストーンモードの存在は理論的に議論されていますが、実験的には見つかっておらず、この系における今後の研究が期待されます。

現在までの達成度 (区分)

1: 当初の計画以上に進展している

理由

金属電子系における量子臨界相の可能性は、これまで乱れによる効果が排除できず、ほとんど議論されることはなかった。YbAlB4における研究においては、その新しい量子臨界相の可能性が、超純良単結晶を用いた圧力下での高精度な電気抵抗測定により、初めて明らかになってきた。

さらに、PrV2Al20においては、これまでMn酸化物等でその可能性が議論をされてきた軌道秩序によるゴールドストーンモードの存在が、初めて実験的に明らかになってきた。この系は、軌道による量子臨界現象の研究対象として理想的な系であり、今後の研究が期待される。

今後の研究の推進方策

まず、YbAlB4において見出した、新しい量子臨界現象について、価数揺らぎの可能性を追究する。そのためには、alpha-YbAlB4においてAlサイトへの置換効果等により、価数の量子臨界点が存在する可能性を検討し、それをbeta-YbAlB4における常圧での量子臨界現象と比較することで、これらの系における価数の量子臨界現象の可能性を見極める。次にPrV2Al20における多極子秩序の多段転移については磁場下での比熱測定を行い、多極子による量子臨界現象、八極子秩序の可能性、orbitonの可能性を多角的に追及する。最後に、Ba3CuSb2O9に注目し、単結晶試料を用いた多角的な研究により、新しいスピン・軌道液体の性質を解明する。

研究成果

• [雑誌論文] Field Evolution of Quantum Critical and Heavy Fermi-Liquid Components in the Magnetization of the Mixed Valence Compound β-YbAlB 4 (2015)
  • 著者名/発表者名: Y. Matsumoto, K. Kuga, Y. Karaki, Y. Shimura, T. Sakakibara, M. Tokunaga, K. Kindo and S. Nakatsuji
  • 雑誌名: J. Phys. Soc. Jpn. 巻: 84 ページ: 024710/1-7
  • DOI: http://dx.doi.org/10.7566/JPSJ.84.024710
  • 査読あり
• [雑誌論文] Anisotropic transverse magnetoresistivity in α-YbAlB 4 (2015)
  • 著者名/発表者名: Y. Matsumoto, J. Hong, K. Kuga and S. Nakatsuji
  • 雑誌名: J. Phys.: Conf. Ser. 巻: 592 ページ: 012086/1-6
  • DOI: doi:10.1088/1742-6596/592/1/012086
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Anomalous Enhancement of Seebeck Coefficient in Pr-Based 1-2-20 System with Non-Kramers Doublet Ground States (2015)
  • 著者名/発表者名: Y. Machida, T. Yoshida, T. Ikeura, K. Izawa, A. Nakama, R. Higashinaka, Y. Aoki, H. Sato, A. Sakai, S. Nakatsuji, N. Nagasawa, K. Matsumoto, T. Onimaru and T. Takabatake
  • 雑誌名: J. Phys.: Conf. Ser. 巻: 592 ページ: 012025/1-9
  • DOI: doi:10.1088/1742-6596/592/1/012025
  • 査読あり
• [雑誌論文] Anomalous specific heat behaviour in the quadrupolar Kondo system PrV 2 Al 20 (2015)
  • 著者名/発表者名: M. Tsujimoto, Y. Matsumoto and S. Nakatsuji
  • 雑誌名: J. Phys.: Conf. Ser. 巻: 592 ページ: 012023/1-6
  • DOI: doi:10.1088/1742-6596/592/1/012023
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] High Pressure Measurements of the Resistivity of β -YbAlB 4 (2015)
  • 著者名/発表者名: T. Tomita, K. Kuga, Y. Uwatoko and S. Nakatsuji
  • 雑誌名: J. Phys.: Conf. Ser. 巻: 592 ページ: 012019/1-5
  • DOI: doi:10.1088/1742-6596/592/1/012019
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Shubnikov-de Haas Oscillation in the cubic Γ 3 -based heavy fermion superconductor PrV 2 Al 20 (2015)
  • 著者名/発表者名: Y. Shimura, M. Tsujimoto, A. Sakai, B. Zeng, L. Balicas and S. Nakatsuji
  • 雑誌名: J. Phys.: Conf. Ser. 巻: 592 ページ: 012026/1-4
  • DOI: doi:10.1088/1742-6596/592/1/012026
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Synchrotron X-ray spectroscopy study on the valence state and magnetization in α-YbAl 1-x Fe x B 4 (x = 0.115) at low temperatures and high magnetic fields (2015)
  • 著者名/発表者名: T. Terashima, Y. H. Matsuda, K. Kuga, S. Suzuki, Y. Matsumoto, S. Nakatsuji, A. Kondo, K. Kindo, N. Kawamura, M. Mizumaki and T. Inami
  • 雑誌名: J. Phys.: Conf. Ser. 巻: 592 ページ: 012020
  • DOI: doi:10.1088/1742-6596/592/1/012020
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] High-Field Multi-Frequency ESR in the Rare-Earth Spinel Compound CdYb2S4 (2015)
  • 著者名/発表者名: D. Yoshizawa, T. Kida, S. Nakatsuji, K. Iritani, M. Halim, T. Takeuchi and M. Hagiwara
  • 雑誌名: Appl. Magn. Reson. 巻: 46 ページ: 993-996
  • DOI: http://dx.doi.org/10.1007/s00723-015-0651-x
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Antiferromagnetic transition of the caged compound TmTi 2 Al 20 (2015)
  • 著者名/発表者名: N. Kase, Y. Shimura, S. Kittaka, T. Sakakibara, S. Nakatsuji, T. Nakano, N. Takeda and J. Akimitsu
  • 雑誌名: J. Phys.: Conf. Ser. 巻: 592 ページ: 12052（1-5）
  • DOI: 10.1088/1742-6596/592/1/012052
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Quantum criticality in a metallic spin liquid (2014)
  • 著者名/発表者名: Y. Tokiwa, J. J. Ishikawa, S. Nakatsuji and P. Gegenwart
  • 雑誌名: Nature Mater. 巻: 13 ページ: 356-359
  • DOI: 10.1038/nmat3900
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Magnetization and Specific Heat of the Caged Compound PrV2Al20 (2014)
  • 著者名/発表者名: K. Araki, Y. Shimura, N. Kase, T. Sakakibara, A. Sakai and S. Nakatsuji
  • 雑誌名: JPS Conf. Proc 巻: 3 ページ: 011093(1-5)
  • DOI: http://dx.doi.org/10.7566/JPSCP.3.011093
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Magnetic and Thermal Properties of the Single Crystalline Pr2Zr2O7 in a [111] field (2014)
  • 著者名/発表者名: K. Kimura and S. Nakatsuji
  • 雑誌名: JPS Conf. Proc 巻: 3 ページ: 014027(1-5）
  • DOI: http://dx.doi.org/10.7566/JPSCP.3.014027
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] X-ray Photoemission and X-ray Absorption Spectroscopy of Hexagonal Ba3CuSb2O9 (2014)
  • 著者名/発表者名: T. Sugimoto, T. Mizokawa, H. Wadati, K. Takubo, A. Damascelli, T. Z. Regier, G. A. Sawatzky, N. Katayama, H. Sawa, K. Kimura and S. Nakatsuji, J. Kor
  • 雑誌名: J. Phys. Soc. Jpn. 巻: 63 ページ: 549-550
  • DOI: http://dx.doi.org/10.7566/appc12
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] 銅酸化物磁性体におけるスピン・軌道の特異な量子状態 (2014)
  • 著者名/発表者名: 澤 博, 中辻 知
  • 雑誌名: 固体物理 巻: 49 ページ: 533-543
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Heavy-Fermion Superconductivity in the Quadrupole Ordered State of PrV2Al20 (2014)
  • 著者名/発表者名: M. Tsujimoto, Y. Matsumoto, T. Tomita, A. Sakai and S. Nakatsuji
  • 雑誌名: Phys. Rev. Lett 巻: 113 ページ: 267001
  • DOI: http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.113.267001
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Experimental realization of a quantum breathing pyrochlore antiferromagnet (2014)
  • 著者名/発表者名: K. Kimura, S. Nakatsuji and T. Kimura
  • 雑誌名: Phys. Rev. B 巻: 90 ページ: 060414
  • DOI: http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevB.90.060414
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Two magnetic phases in α-YbAl1-xFexB4 (2014)
  • 著者名/発表者名: K. Kuga, S. Suzuki and S. Nakatsuji
  • 雑誌名: J. Phys. Soc. Jpn. 巻: 3 ページ: 012013(1-4)
  • DOI: http://dx.doi.org/10.7566/JPSCP.3.012013
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Suppression of the Heavy Fermion State in Magnetic Fields in the Mixed Valent α-YbAlB4 (2014)
  • 著者名/発表者名: Y. Matsumoto, K. Kentaro and S. Nakatsuji
  • 雑誌名: J. Phys. Soc. Jpn. 巻: 3 ページ: 011076(1-5)
  • DOI: http://dx.doi.org/10.7566/JPSCP.3.011076
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Superconducting properties of the ferroquadrupolar cubic Γ3 compound PrTi2Al20 (2014)
  • 著者名/発表者名: A. Sakai, K. Kuga and S. Nakatsuji
  • 雑誌名: J. Phys. Soc. Jpn. 巻: 3 ページ: 011066 (1-6)
  • DOI: http://dx.doi.org/10.7566/JPSCP.3.011066
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Structural and Magnetic Properties of α―Yb(Al1-xFex)B4 under Hydtostatic Pressure (2014)
  • 著者名/発表者名: Y. Sakaguchi, S. Ikeda, K. Kuga, S. Nakatsuji, N. Hirao, Y. Ohishi and H. Kobayashi
  • 雑誌名: J. Phys. Soc. Jpn. 巻: 3 ページ: 011059 (1-6)
  • DOI: http://dx.doi.org/10.7566/JPSCP.3.011059
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Sample Dependence of the Quadrupolar Transition in the Nonmagnetic cubic Γ3 Compound PrV2Al20 (2014)
  • 著者名/発表者名: M. Tsujimoto, A. Sakai and S. Nakatsuji
  • 雑誌名: J. Phys. Soc. Jpn. 巻: 3 ページ: 011066(1-6)
  • DOI: http://dx.doi.org/10.7566/JPSCP.3.011074
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Magnetization of Yb-based mixed-valent compounds at megagauss fields (2014)
  • 著者名/発表者名: T. Terashima, Y. H. Matsuda, K. Kuga, Y. Matsumoto and S. Nakatsuji
  • 雑誌名: J. Phys. Soc. Jpn. 巻: 3 ページ: 011027(1-5)
  • DOI: http://dx.doi.org/10.7566/JPSCP.3.011027
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Electronic Structure of Quantum Spin-liquid Coupound Ba3CuSb2O9 (2014)
  • 著者名/発表者名: T. Sugimoto, T. Mizokawa, H. Wadati, K. Takubo, A. Damascelli, T. Z. Regier, G. A. Sawatzky, N. Katayama, H. Sawa, K. Kimura and S. Nakatsuji
  • 雑誌名: J. Phys. Soc. Jpn. 巻: 3 ページ: 014007 (1-4)
  • DOI: http://journals.jps.jp/doi/abs/10.7566/JPSCP.3.014007
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [学会発表] “Strange metal without magnetic instability in β-YbAlB4” (2015)
  • 著者名/発表者名: S. Nakatsuji
  • 学会等名: American Physical Society March Meeting, Invited Session: Emergent Quantum Phases and Their Transitions in Correlated Electron Systems
  • 発表場所: San Antonio, Texas, USA
  • 年月日: 2015-03-02 – 2015-03-06
  • 招待講演
• [学会発表] “Quantum Melting of Spin Ice” (2015)
  • 著者名/発表者名: S. Nakatsuji
  • 学会等名: Edgar Luscher Seminar 2015 “Neues aus der Festkorperphysik”
  • 発表場所: Hotel-Sport Klosters/Schweiz, Switzerland
  • 年月日: 2015-02-07 – 2015-02-13
  • 招待講演
• [学会発表] “Orbital Ordering and Heavy Fermion Superconductivity in PrTr2Al20” (2014)
  • 著者名/発表者名: S. Nakatsuji
  • 学会等名: 2014 Autumn Meeting of Japanese Physical Society, Symposium “Next Generation of Heavy Electron Materials”
  • 発表場所: Chubu Univ. Japan
  • 年月日: 2014-09-07 – 2014-09-10
  • 招待講演
• [学会発表] “Anomalous Metal and Unconventional Superconductivity in the quadrupolar Kondo system PrTr2Al20 (Tr = Ti, V)” (2014)
  • 著者名/発表者名: S. Nakatsuji
  • 学会等名: 13th Bilateral German-Japanese Symposium on “Interplay of Spin- and Orbital Degrees of Freedom in Strongly Correlated Electron Systems”
  • 発表場所: Ringberg Castle, Rottach-Egern, Germany
  • 年月日: 2014-07-13 – 2014-07-16
  • 招待講演
• [学会発表] “Emergent excitations in spin liquids through coupling with electrons and orbitals”(基調講演） (2014)
  • 著者名/発表者名: S. Nakatsuji
  • 学会等名: 7th International Conference on Highly Frustrated Magnetism 2014(基調講演）
  • 発表場所: Cambridge University, UK
  • 年月日: 2014-07-07 – 2014-07-11
• [学会発表] "Emergent Non-Fermi-Liquid Phases Without Magnetic Criticality" (2014)
  • 著者名/発表者名: S. Nakatsuji
  • 学会等名: Gordon Research Conference, “Correlated Electron Systems: Textures, Topology, and Strong Interactions”
  • 発表場所: Mount Holyoke College, South Hadley MA, USA
  • 年月日: 2014-06-22 – 2014-06-27
  • 招待講演
• [学会発表] “Strange metal without magnetic criticality” (2014)
  • 著者名/発表者名: S. Nakatsuji
  • 学会等名: Aspen Summer Workshop 2014 “Modern Trends in Quantum Magnetism”
  • 発表場所: Aspen Center for Physics, Aspen CO, USA
  • 年月日: 2014-05-25 – 2014-06-22
  • 招待講演
• [学会発表] “Topological excitations and anomalous semi-metallic phase in Pr based pyrochlore oxides” (2014)
  • 著者名/発表者名: S. Nakatsuji
  • 学会等名: OIST International Workshp on Novel Quantum Materials and Phases
  • 発表場所: OIST, Okinawa, Japan
  • 年月日: 2014-05-13 – 2014-05-17
  • 招待講演